Вермикулитами называют минералы из группы гидрослюд, способные вспучиваться при нагревании. Вермикулиты образуют­ся в природных условиях в результате гидратации и других вто­ричных изменений различных слюд (магнезиальных и магнези - ально-железистых, алюминиевых и литиевых). Практическое зна­чение имеют вермикулиты, образовавшиеся из магниожелезистых слюд — биотита и флогопита.

Для слюд характерна слоистая структура: два элементарных слоя кремнекислородных тетраэдров и слой, состоящий из гидрок - сильных групп и ионов магния и железа (у биотита), образуют прочно связанный слюдяной пакет. В результате замещения иона Si4+ ионом. А13+ каждый пакет имеет избыточный отрицательный заряд, который уравновешивается двумя катионами К+, располо­женными между пакетами. Процесс гидратации первичных слюд при их переходе в вермикулит заключается в замене ионов калня молекулами поды, и слой которых втягиваются обменные ионы двухвалентных металлов (чаще всего Mg2+). Между пакетами об­разуется гидратпый слой, состоящий из гндратированных ионов металлов и молекул воды в свободном состоянии. Структурная формула вермикулита может быть записана так:

4,5H, O-Mg0.3-0.4(AloOl5)(Mg, Fe, Аі)6О,0(ОН)4. (9.2)

В природных условиях вермпкулнгизация слюд флогопита и биотита происходит очень медленно, поэтому в них одновременно встречаются не только конечные продукты этого процесса, по и гидрослюды с различной степенью гидратации.

13 СССР имеются крупнейшие месторождения вермикулита — это прежде всего Ковдорекое в Дурмаиской области и Потанин­ское на Урале. Кроме них имеются месторождения па Дальнем Востоке, Урале, Украине, в Сибири, Казахстане. За рубежом наи­более крупные месторождения вермикулита находятся в США и ЮАР.

Причиной вспучивания вермикулита является выделение па­ров воды, давление которых направлено нервен шкчлярпо плос­кости спайности. В результате силового воздействия паров воды слюдяные пластинки раздвигаются, образуя сообщающиеся .поры неправильной вытянутой формы, при этом объем зерна вермику­лита увеличивается в 13... 15 раз.

Вода, содержащаяся в вермикулите, имеет различные формы связи с основным веществом минерала. В природи - м вермикули­те различают следующие виды воды: конституционную (гидрат - ную), входящую в состав молекулярной структуры материала; межпакетную, содержащуюся между пакетами слюды и прочно адсорбированную на плоскостях спайности; цеолнтную, находя­щуюся в минерале в виде твердого раствора, и гш роскопическую, механически удерживаемую на поверхности зерен минерала.

Основным фактором, обеспечивающим вспучивание вермикули­та при нагревании, считают выделение межпакетпой воды. Она начинает удаляться при температуре 170...200°С, наибольшая ее часть уходит при 270...300°С, а окончательное удаление межпа­кетной воды происходит при 750... 800ЭС. При температуре 810... ... 880°С удаляются гидроксилы октаэдрического слоя, что сопро­вождается разрушением слюдяной структуры и образованием эн - статитовой или оливиновой фаз.

Наряду с воздействием водяного пара в структурной решетке слюды при нагревании происходят внутренние изменения вследст­вие удаления цеолитной и гидратной воды, что приводит к короб­лению частиц и раскрытию листочков слюды.

На вспучивание зерен вермикулита оказывают влияние такие факторы, как структура, химический состав и влажность сырья, степень и характер гидратации слюды, т. е. порядок расположе­ния гидратированных вермикулитовых и слюдяных слоев, размер зерен, режим обжига (максимальная температура, скорость и продолжигельность нагрева).

Во всех случаях при использовании любого нермикулнтового сырья стремятся удалить гигроскопическую влагу, после чего

И •
быстро прогреть зерна вермикулита до максимальной температу­ры вспучивания с целью наибольшего использования межпакетной воды.

Вспучивание вермикулита может быть оценено объемным ко­эффициентом вспучивания Кв, представляющим собой отношение объема вспученного материала (Ув) к объему исходного сырья

(V):

KB=vjv~ 6.

Вермикулит характеризуется низкой насыпной плотностью (80... 200 кг/м3). В соответствии со стандартом он имеет марки 100, 150 и 200.

Теплопроводность вермикулита зависит как от насыпной плот­ности, так и от размера зерен. При температуре 25°С она нахо­дится в пределах 0,056... 0,07 Вт/(м-°С). При температуре до Ю0иС теплопроводность мелких фракций выше, чем крупных, имеющих более низкую насыпную плотность; при более высоких температурах, наоборот, более крупные фракции вследствие уве­личения конвективного переноса теплоты в крупных порах харак­теризуются более высокой теплопроводностью, чем мелкие фрак­ции.

Вспученный вермикулит обладает высоким звукопоглощением, невысокой гигроскопичностью, биостойкостью, огнестойкостью, его температура плавления 1210... 1250°С для Потанинского и 1320... .. 1350°С для Ковдорского месторождений. Водопоглощение вер­микулита высокое вследствие развитой сообщающейся пористо­сти; оно зависит от зернового состава и средней плотности зерен.

В соответствии со стандартом вспученный вермикулит делят на три фракции: крупную (5... 10 мм), среднюю (0,6...5 мм) и мелкую (<0,6 мм). В отличие от вспученного перлита вспучен­ный вермикулит обладает упругостью, которая выражается в его способности частично восстанавливать высоту предварительно сжатой пробы после снятия сжимающей нагрузки.

Строение зерен вспученного вермикулита анизотропное: в на­правлении, параллельном плоскостям спайности, прочность их больше. Упругие свойства, наоборот, проявляются в значительно большей степени при приложении нагрузки перпендикулярно плоскостям спайности.

Вспученный вермикулит обладает также хорошими адсорбци­онными свойствами. Различные полезные качества вспученного вермикулита позволяют широко его использовать не только в строительстве, но и в других областях народного хозяйства.

Технология вспученного вермикулита включаете себя добычу и обогащение сырья, его дробление, обжиг и рассев на фракции.

Вермикулитовые породы добывают открытым и шахтным спо­собами. При малом содержании в породе вермикулита ее обога­щают, доводя содержание вермикулита до 75...90%. Обогащение породы производят путем ступенчатого избирательного дробления с классификацией дробленой породы по крупности или совмещен­ным дроолением с мокрой отсадкой (грохочением). При пропуска­нии породы через валковые дробилки зерна вермикулита разру­шаются по плоскостям спайности на пластинки крупных и сред­них размеров, а пустая порода измельчается и легко удаляется при отсеве. При обогащении мелких фракций применяют отсадоч­ные машины п концентрационные столы, где в потоке воды более легкие ч. чспщы вермикулита or чел Я К) гс я or тяжелых часпщ пус­той породы.

Дробление вермикулита производят в молотковых дробилках с ножеобразными билами. Вспучивание (обжиг) вермикулита осу­ществляют в шахтных печах конструкции ВНИИПИТеплопроекта и Киевского НИИСМИ, наклонных печах, прямоточных трубчатых печах (комбайнах) конструкции УралНИИстромпроекта.

В шахтных печах сырье подается через загрузочную воронку, расположенную в верхней части печи. Проходя через поток вос­ходящих горячих газов, создаваемый форсункой низкого давления, вермикулит вспучивается и по наклонному поду печи поступает в бункер. При этом более мелкие частицы остаются в печи дольше крупных, что не соответствует условиям вспучивания. Опыт экс­плуатации шахтных печей показал, что высококачественный про­дукт в них можно получать только при вспучивании узкофракцио - нированного сырья, однородного по степени гидратации.

Более универсальной и эффективной является трубчатая печь конструкции УралНИИстромпроекта (рис. 9.2). Она состоит из футерованной горизонтальной трубы, в которой сжигается газ или жидкое топливо, и вращающегося барабана, расположенного над трубой, предназначенного для сушки сырья отходящими газами.

Подогретое сырье подается через барабанный питатель в го­ризонтальную трубу, в горящий факел, где оно быстро вспучива­ется и потоками газов и воздуха выносится в осаднтельную ка­меру. Вспученный вермикулит очищают от пустой породы в се­параторе, который установлен за осадительной камерой.

Печь работает по принципу прямотока, поэтому мелкие час­тицы, быстро нагреваясь, вспучиваются и выносятся из печи, а крупные и менее гидратированные задерживаются в ней дольше, до полного вспучивания, после чего они также выносятся потоком газов.

И з д е л и я из в с п у ч е и и о г о в е р м и к улит а получают по технологии, аналогичной технологии изделий из вспученного пер­лита. В этом случае в качестве связующих применяют битум, жид­кое стекло, портландцемент, глину, диатомит (трепел) и их ком­бинации. Свойства наиболее распространенных изделий приведе­ны в табл. 9.2.

При изготовлении изделий используют полусухие формовоч­ные смеси и в виде гидромасс Формование підсліпі осуществля­ют соответственно прессованием прн малом давлении н залнвоч-

I ■> і ным способом. Тепловую обработку производят в соответствии с примененным видом связующего.

Струнит — плотно упакованный в полиэтиленовую пленку вспу­ченный вермикулит. Пленка заваривается по торцам изделия и, кроме того, с целью исключения воздушных подушек и уплотне-

Рис. 9.2. Схема трубчатой печи (комбайна) для об­жига вермикулита:

1 — всасывающий воздухопровод; 2 — подающий воздухо­провод; 3 — загрузочный бункер, 4 — барабанный питатель, 5 — сушильный барабан; 6 — вытяжная труба; 7 — бункер для сухого сырца; 8 — барабанный питатель; 9 — форсун­ки; 10 — трубчатая печь; 11 — циклон

Ния вермикулита проваривается в продольном направлении через 25 ...30 см. В результате образуется изделие в виде мата с плот­но уложенным в нем вспученным вермикулитом.

Ценные свойства вермикулита пока используются недостаточ­но. Это объясняется главным образом несовершенством техноло­гии обогащения породы, значительными транспортными расхода­ми по ее доставке к местам переработки во вспученный вермику­лит и изделия на его основе, недостаточностью проработок в об­ласти технологии изделий. Однако широкие возможности эффек­тивного применения вермикулита и наделив и» него гребую г рас­ширения объема производства этого материала.

Материалы на основе вспученного вермикулита применяют для изоляции горячих поверхностей в виде штучных изделий и торкрет-масс: на ТЭС, в промышленности строительных Материа­лов (съемные своды кольцевых печей для обжига кирпича), в качестве термовкладышей в ограждающих конструкциях зц.'шнн, для устройства звукоизоляционных п декоративно-акустических конструкций, для получения конструкционно-теплоизоляционных бетонов И др.